Эксплуатационные параметры транзисторов

Транзистор, как и любой другой электронный прибор, характери­зуется рядом эксплуатационных параметров, предельные значения которых указывают на возможности практического применения того или иного транзистора. К числу таких параметров относятся:

Максимально допустимая мощность Рктах, рассеиваемая коллек­тором,— превращающаяся в тепло мощность тока коллектора, бес­полезно расходуемая на нагревание транзистора. В общем случае мощность, рассеиваемая транзистором, складывается из мощностей, рассеиваемых каждым р -■— п-переходом:

Р = Рк + Рв = Ь<и кб + /э^эб-

Однако в усилительном режиме у плоскостных транзисторов

^Э^ЭБ <<^ ^К^КБ- Поэтому р ^ р^ IБ-

При недостаточном теплоотводе разогрев коллекторного перехода может Привести К резкому увеличению тока /к;. Это в свою очередь приводит к возрастанию мощности, рассеиваемой на коллекторе, и к еще большему нагреву коллекторного перехода. Процесс приобре­тает лавинообразный характер, и транзистор необратимо выходит из строя. Следует учитывать также, что при повышении температуры окружающей среды предельно допустимая мощность Рк тах уменьшает­ся. Поэтому необходимо тщательно следить за режимом работы тран­зисторов, исключая внешний нагрев прибора, особенно работающего прн повышенных мощностях.

Максимально допустимый ток коллектора /к шах ограничивается максимально допустимой мощностью, рассеиваемой коллектором. Превышение предельного значения тока коллектора приводит к теп­ловому пробою коллекторного перехода и выходу транзистора из строя.

Максимально допустимое напряжение между коллектором и общим электродом транзистора (£/кэтах или икб тах)- Это напряжение опреде­ляется величшюй пробивного напряжения перехода. Кроме того, оно зависит от мощности, тока коллектора и температуры окружающей среды.

Из соображений надежности работы схемы не рекомендуется ис­пользовать величины токов, напряжений и мощностей выше 70% их наибольших допустимых значений. Следует, однако, отметить, что при работе в ключевом режиме значительная мощность выделяется па транзисторе только в течение перехода из открытого состояния к запертому и обратно (на активном участке характеристики). Поэтому среднее за период значение мощности, рассеиваемой в транзисторе, относительно невелико, что позволяет допускать мгновенные значе­ния токов коллектора и эмиттера в 2—3 раза больше паспортных, предельных для режима усиления значений, не опасаясь перегрева транзистора.

Предельная частота усиления по току (/« или /р) -— частота, при которой коэффициент усиления по току а или [3 уменьшается до 0,7 (в ]/2 раз) своего значения на низких частотах.

Выше перечислены лишь наиболее важные эксплуатационные па­раметры транзисторов. В паспортах транзисторов и справочниках указывается ряд других параметров: максимально допустимый ток базы, обратный ток эмщтера, максимально допустимый импульсный ток коллектора, напряжение насыщения коллектор — эмиттер, ем­кость коллекторного перехода, максимальная температура работы транзистора и т. д. [34, 36].

13. УНИПОЛЯРНЫЕ (ПОЛЕВЫЕ) ТРАНЗИСТОРЫ К классу униполярных относят транзисторы, принцип действия которых основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок). Управление током в униполярных транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Вследствие этого униполярные транзисторы называют также полевыми. По способу создания канала различают полевые транзисторы с p-n-переходом, встроенным каналом и индуцированным каналом. Последние два типа относят к разновидностям МДП-транзисторов. Повышенный интерес к этим приборам обусловлен их высокой технологичностью, хорошей воспроизводимостью требуемых параметров, а также меньшей стоимостью по сравнению с биполярными транзисторами. Из электрических параметров полевые транзисторы отличает их высокое входное сопротивление. 14.Транзисторы с управляемым р-п-переходом Анализ работы полевого транзистора с р-п-переходом проведем на его модели, показанной на рис. 5.1, а. В приведенной конструкции канал протекания тока транзистора представляет собой слой полупроводника n-типа, заключенный между двумя p-n-переходами. Канал имеет контакты с внешними электродами прибора. Электрод, oт которого начинают движение носители заряда (в данном случае электроны), называют истоком, а электрод, к которому они движутся, — стоком. Полупроводниковые слои p-типа, образующие с п-слоем два р-п-перехода, созданы с более высокой концентрацией примеси, чем п-слой. Оба р-слоя электрически связаны между собой и имеют общий внешний электрод, называемый затвором. Подобную конструкцию имеют и полевые транзисторы с каналом р-типа. Рис. 5.1. Конструкция полевого транзистора с р-п-переходом (а); условные обозначения полевого транзистора с р-п-переходом и каналом п-типа (б); с р-п-переходом и каналом р-типа (в) Полярность внешних напряжений, подводимых к транзистору, показана на рис. 5.1, а. Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение U_зи является обратным для обоих п-р-переходов. В выходную цепь, в которую входит канал транзистора, включается напряжение U_cи положительным полюсом к стоку. Управляющие свойства транзистора объясняются тем, что при изменении напряжения ^ U_зи изменяется ширина его p-n-переходов, представляющих собой участки полупроводника, обедненные носителями заряда. Поскольку р-слой имеет большую концентрацию примеси, чем n-слой, изменение ширины p-n-переходов происходит в основном за счет более высокоомного n-слоя (эффект модуляции ширины базы). Тем самым изменяются сечение токопроводящего канала и его проводимость, т.е. выходной ток I_с прибора. Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние как управляющее напряжение U_зи, так и напряжение U_си. Влияние подводимых напряжений на проводимость канала иллюстрирует рис. 5.2, а—в, где для простоты не показаны участки n-слоя, расположенные вне р-п-переходов. Рис. 5.2. Поведение полевого транзистора с p-n-переходом и каналом n-типа при подключении внешних напряжений: а) U_зи < 0, U_си = 0; б) U_зи = 0, U_си > 0; в) U_зи < 0,U_си > 0 На рис. 5.2, а внешнее напряжение приложено только к входной цепи транзистора. Изменение напряжения U_зи приводит к изменению проводимости канала за счет изменения на одинаковую величину его сечения по всей длине канала. Но выходной ток I_с = 0, поскольку U_си = 0. Рис. 5.2, б иллюстрирует изменение сечения канала при воздействии только напряжения U_си (U_зи = 0). При U_си > 0 через канал протекает ток I_с, в результате чего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарное падение напряжения участка исток — сток равно U_си. В силу этого потенциалы точек канала n-типа будут неодинаковыми по его длине, возрастая в направлении стока от нуля до U_си. Потенциал же точек р-области относительно истока определяется потенциалом затвора относительно истока и в данном случае равен нулю. В связи с указанным обратное напряжение, приложенное к p-n-переходам, возрастает в направлении от истока к стоку и p-n-переходы расширяются в направлении стока. Данное явление приводит к уменьшению сечения канала от истока к стоку (рис. 5.2,б). Повышение напряжения U_си вызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечений, а следовательно, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении U_си происходит сужение канала, при котором границы обоих p-n-переходов смыкаются (рис. 5.2, б) и сопротивление канала становится высоким. На рис. 5.2, в отражено результирующее влияние на канал обоих напряжений U_зи и U_си. Канал показан для случая смыкания р-п-переходов. Рассмотрим вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с п-р-переходом. Для этих транзисторов представляют интерес два вида вольт-амперных характеристик: стоковые и стоко-затворные. Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р-п-переходом и каналом п-типа показаны на рис. 5.3. Они отражают зависимость тока стока от напряжения сток — исток при фиксированном напряжении затвор — исток I_с = F(U_си) U_зи = const и представляются в виде семейства кривых. На каждой из этих кривых можно выделить три характерные области: I — сильная зависимость тока I_с от напряжения U_си (начальная область); II — слабая зависимость тока I_с от напряжения U_си; III — пробой р-п-перехода. Рис. 5.3. Семейство стоковых (выходных) характеристик полевого транзистора  с р-п-переходом и каналом п-типа Рассмотрим выходную характеристику полевого транзистора при U_зи = 0 (см. рис. 5.3, б). В области малых напряжений U_си (участок 0—а) влияние напряжения U_си на проводимость канала незначительно, в связи с чем здесь имеется практически линейная зависимость I_с = F(U_си). По мере увеличения напряжения U_си (участок а—б)сужение токопроводящего канала оказывает все более существенное влияние на его проводимость, что приводит к уменьшению крутизны нарастания тока. При подходе к границе с участком II (точка б) сечение токопроводящего канала уменьшается до минимума в результате смыкания обоих p-n-переходов. Дальнейшее повышение напряжения на стоке не должно приводить к увеличению тока через прибор, так как одновременно с ростом напряжения U_си будет увеличиваться сопротивление канала. Некоторое увеличение тока I_с на экспериментальных кривых объясняется наличием различного рода утечек и влиянием сильного электрического поля в p-n-переходах, прилегающих к каналу. Участок III резкого увеличения тока I_с характеризуется лавинным пробоем области p-n-переходов вблизи стока по цепи сток — затвор. Напряжение пробоя соответствует точке в. Приложение к затвору обратного напряжения вызывает сужение канала (см. рис. 5.2, а) и уменьшение его исходной проводимости. Поэтому начальные участки кривых, соответствующих большим напряжениям на затворе, имеют меньшую крутизну нарастания тока (рис. 5.3). Ввиду, наличия напряжения U_зи перекрытие канала объемным зарядом p-n-переходов (см. рис. 5.2, в) происходит при меньшем напряжении и границе участков I и II будут соответствовать меньшие напряжения сток — исток. Напряжениям перекрытия канала соответствуют абсциссы точек пересечения стоковых характеристик с пунктирной кривой, показанной на рис. 5.3. При меньших напряжениях наступает и режим пробоя транзистора по цепи сток — затвор. Важным параметром полевого транзистора является напряжение на затворе, при котором ток стока близок к нулю. Оно соответствует напряжению запирания прибора по цепи затвора и называется напряжением запирания или отсечки U_зи. Числовое значение U_зиo равно напряжению U_си в точке б вольт-амперной характеристики приU_зи = 0. Поскольку управление выходным током полевых транзисторов производится напряжением входной цепи, для них представляет интерес так называемая переходная или стоко-затворная вольт-амперная характеристика. Стоко-затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока стока от напряжения затвор — исток при фиксированном напряжении сток — исток: I_с = F(U_зи)U_си = const (рис. 5.4). Стоко-затворная характеристика связана с выходными характеристиками полевого транзистора и может быть построена по ним. Рис. 5.4. Стоко-затворная характеристика полевого транзистолра  с р-п-переходом и каналом п-типа Основными параметрами полевого транзистора являются: максимальный ток стока ^ I_сmах, максимальное напряжение стока U_сmах, напряжение отсечки U_зиo,внутреннее сопротивление r_i, крутизна S, а также межэлектродные емкости затвор — исток C_зи, затвор — сток С_зс и сток — исток С_си. Максимальное значение тока стока ^ I_{с мах} соответствует его значению в точке в на выходных характеристиках (при U_зи = 0). Максимальное значение напряжения сток — исток U_сиmах выбирают в 1,2—1,5 раза меньше напряжения пробоя участка сток — затвор при U_зи = 0. Напряжению отсечки U_зиo соответствует напряжение на затворе при токе стока, близком к нулю. Внутреннее сопротивление транзистора  , при U_зи = const характеризует наклон выходной характеристики на участке II. Крутизна стоко-затворной характеристики  , при U_си = const, отражает влияние напряжения затвора на выходной ток транзистора. Крутизну S находят по стоко-затворной характеристике прибора (рис. 5.4). Входное сопротивление r_вх = dU_зи / dI_з транзистора определяется сопротивлением р-п-переходов, смещенных в обратном направлении. Входное сопротивление полевых транзисторов с р-п-переходом довольно велико, что выгодно отличает их от биполярных транзисторов. Межэлектродные емкости С_зи и С_зссвязаны главным образом с наличием в приборе р-п-переходов (см. рис. 5.1), примыкающих соответственно к истоку и стоку. Рис. 5.5. Схема замещения полевого транзистора с р-п-переходом  в области высоких (а) и низких (б) частот Полевые транзисторы с р-п-переходом выпускаются на токи I_с до 50 мА и напряжения до 50 В. Приведем типичные значения параметров этих транзисторов:U_зио = 0,8÷10 В, r_i = 0,02÷0,5 МОм, S = 0,3÷ 7 мА/В, r_вх = 10⁸—10⁹Ом, С_зи = С_си = 6÷20 пФ, С_зс = 2÷8 пФ. Влияние температуры на характеристики и параметры рассматриваемого класса транзисторов обусловливается температурными зависимостями контактной разности потенциалов φ₀ и подвижности носителей заряда (электронов или дырок). Величина φ₀ фактически является одной из составляющих напряжения обратносмещенных р-п-переходов. Изменение φ₀ в зависимости от температуры приводит к изменению напряжения на переходах и их ширины, а следовательно, к изменению сечения токопроводящего канала и его проводимости. С ростом температуры контактная разность потенциалов φ₀ уменьшается, что сказывается на увеличении сечения канала и повышении его проводимости. Вследствие уменьшения подвижности носителей заряда проводимость канала уменьшается с повышением температуры. Влияние температуры на характеристики и параметры полевого транзистора оказывается достаточно сложным и по-разному проявляется в конкретных типах приборов этого класса. Температурные зависимости характеристик и параметров транзисторов приводятся в справочниках. Схема замещения полевого транзистора с р-п-переходом показана на рис. 5.5, а Она характеризует работу транзистора на участке II выходных характеристик для переменных составляющих тока и напряжения. При ее построении были использованы следующие соображения. Ток прибора на участке II определяется напряжением на затворе (входе) и крутизной, в связи с чем в выходную цепь схемы замещения введен источник тока Su_вх. Параллельно источнику тока включено сопротивление r_i,учитывающее влияние напряжения стока на ток прибора. Величины С_зи, С_зс, С_си отражают влияние межэлектродных емкостей на работу транзистора в области высоких частот. Для области низких частот схема замещения полевого транзистора принимает вид, показанный на рис. 5.5, б. 15-16. МДП-транзисторы В отличие от полевых транзисторов с p-n-переходом, в которых затвор имеет непосредственный электрический контакт с близлежащей областью токопроводящего канала, в МДП-транзисторах затвор изолирован от указанной области слоем диэлектрика. По этой причине МДП-транзисторы относят к классу полевых транзисторов с изолированным затвором. МДП-транзисторы (структура металл — диэлектрик — полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO₂. Отсюда другое название этих транзисторов — МОП-транзисторы (структура металл — окисел — полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (10¹²—10¹⁴ Ом). Рис. 5.6. Условные обозначения МДП-транзисторов со встроенным каналом n-типа (а),  р-типа (б) и выводом от подложки (в); с индуцированным каналом n-типа (г),  р-типа (д) и выводом от подложки (е) Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП-транзисторы выполняют двух типов — со встроенным и с индуцированным каналом. МДП-транзисторы представляют собой в общем случае четырех- электродный прибор. Четвертым электродом (подложкой), выполняющим вспомогательную функцию, является вывод от подложки исходной полупроводниковой пластины. МДП-траизисторы могут быть как с каналом п- или р-типа. Условные обозначения МДП-транзистров показаны на рис. 5.6 а—е. 15.Рассмотрим особенности МДП-транзисторов со встроенным каналом. Конструкция такого транзистора с каналом п-типа показана на рис. 5.7, а. В исходной пластине кремния р-типа с помощью диффузионной технологии созданы области истока, стока и канала п-типа. Слой окисла SiO₂ выполняет функции защиты поверхности, близлежащей к истоку и стоку, а также изоляции затвора от канала. Вывод подложки (если он имеется) иногда присоединяют к истоку. Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора со встроенным каналом п-типа для случая соединения подложки с истоком показаны на рис. 5.7, б. По виду эти характеристики близки к характеристикам полевого транзистора с p-n-переходом. Рассмотрим характеристику при U_зи = 0, что соответствует соединению затвора с истоком. Внешнее напряжение приложено к участку исток — сток положительным полюсом к стоку. Поскольку U_зи = 0, через прибор протекает ток, определяемый исходной проводимостью канала. На начальном участке 0—а, когда падение напряжения в канале мало, зависимость I_c(U_cи) близка к линейной. По мере приближения к точке б падение напряжения в канале приводит ко все более существенному влиянию его сужения (пунктир на рис. 5.7, а) на проводимость канала, что уменьшает крутизну нарастания тока на участке а—б. После точки б токопроводящий канал сужается до минимума, что вызывает ограничение нарастания тока и появление на характеристике пологого участка II. Рис. 5.7. Конструкция МДП-транзистора со встроенным каналом п-типа (а);  стоко-затворная характеристика (б); стоко-затворная характеристика (в) Покажем влияние напряжения затвор — исток на ход стоковых характеристик. В случае приложения к затвору напряжения (U_зи < 0) поле затвора оказывает отталкивающее действие на электроны — носители заряда в канале, что приводит к уменьшению их концентрации в канале и проводимости канала. Вследствие этого стоковые характеристики при U_зи < 0 располагаются ниже кривой, соответствующейU_зи = 0. Режим работы транзистора (U_зи < 0), при котором происходит уменьшение концентрации заряда в канале, называют режимом обеднения. При подаче на затвор напряжения U_зи > 0 поле затвора притягивает электроны в канал из р-слоя полупроводниковой пластины. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, что соответствует режиму обогащения канала носителями. Проводимость канала возрастает, ток I_с увеличивается. Стоковые характеристики приU_зи > 0 располагаются выше исходной кривой (U_зи = 0). Для транзистора имеется предел повышения напряжения U_сз ввиду наступления пробоя прилежащего к стоку участка сток — затвор. На стоковых характеристиках пробою соответствует достижение некоторой величины U_си._пр. В случае U_зи <0 напряжение U_сз увеличивается, в связи с чем при U_зи < 0 пробой наступает при меньшем напряжении U_cи. Рис. 5.8. Конструкция МДП-транзистора с индуцированным каналом п-типа (а);  семейство его стоковых характеристик (б) Примерный вид стоко-затворной характеристики транзистора со встроенным каналом иллюстрирует рис. 5.7, в. Ее отличие от стоко-затворной характеристики транзистора с p-n-переходом (см. рис. 5.8) обусловлено возможностью работы прибора как при U_зи < 0 (режим обеднения), так и при U_зи > 0 (режим обогащения). 16.Конструкция МДП-транзистора с индуцированным каналом п-типа показана на рис. 5.8, с. Канал проводимости тока здесь специально не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины в случае приложения к затвору напряжения положительной полярности относительно истока. За счет притока электронов в приповерхностном слое происходит изменение электропроводности полупроводника, т.е. индуцируется токопроводящий канал п-типа, соединяющий области стока и истока. Проводимость канала возрастает с повышением приложенного к затвору напряжения положительной полярности. Таким образом, транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения. Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с индуцированным каналом п-типа приведены на рис. 5.8, б. Они близки по виду аналогичным характеристикам транзистора со встроенным каналом и имеют тот же характер зависимости I_с = F(U_си). Отличие заключается в том, что управление током транзистора осуществляется напряжением одной полярности, совпадающей с полярностью напряжения U_си. Ток I_с равен нулю при U_зи = 0, в то время как в транзисторе со встроенным каналом для этого необходимо изменить полярность напряжения на затворе относительно истока. Вид стоко-затворной характеристики транзистора с индуцированным каналом показан на рис. 5.8, в. МДП-транзисторы обоих типов выпускаются на тот же диапазон токов и напряжений, что и транзисторы с р-п-переходом. Примерно такой же порядок величин имеют крутизна S и внутреннее сопротивление r_i. Что касается входного сопротивления и межэлектродных емкостей, то МДП-транзисторы имеют лучшие показатели, чем транзисторы с p-n-переходом. Как указывалось, входное сопротивление у них составляет 10¹²—10¹⁴ Ом. Значение межэлектродных емкостей не превышает: для С_зи,С_си — 10 пФ, для С_зс — 2 пФ. Схема замещения МДП-транзисторов аналогична схеме замещения полевых транзисторов с p-n-переходом (см. рис. 5.5). МДП-транзисторы широко применяются в интегральном исполнении. Микросхемы на МДП-транзисторах обладают хорошей технологичностью, низкой стоимостью, способностью работы при более высоком напряжении питания, чем микросхемы на биполярных транзисторах.

17. Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (напримертринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления

УГО

ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (в отсутствие управляющего тока)

Типичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющими электродами или без них), приведена на рис 2. Она имеет несколько участков:

Ih - ток удержания (минимальное значения тока, при котором тиристор открыт) I_B- ток, соответствующий V_B Vh - напряжение на тиристоре, соответствующее Ih V_B  - напряжение включения  V_BR   - напряжение обратного пробоя На участке 1-2 тиристор имеет отрицательнон дифференциальное сопротивление, участок 2-3 соответствует открытому состоянию, участок 4-5 - обратному пробою тиристора.  Участки 0-1 и 0-4 соответствуют запертому состоянию.

• Между точками 0 и 1 находится участок, соответствующий высокому сопротивлению прибора — прямое запирание.

• В точке 1 происходит включение тиристора.

• Между точками 1 и 2 находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

• Участок между точками 2 и 3 соответствует открытому состоянию (прямой проводимости).

• В точке 2 через прибор протекает минимальный удерживающий ток I_h.

• Участок между 0 и 4 описывает режим обратного запирания прибора.

• Участок между 4 и 5 — режим обратного пробоя.

Вольтамперная характеристика симметричных тиристоров отличается от приведённой на рис. 2 тем, что кривая в третьей четверти графика повторяет участки 0—3 симметрично относительно начала координат.

По типу нелинейности ВАХ тиристор относят к S-приборам.